(57)【要約】【課題】ライナー外周に形成した繊維強化樹脂層における熱硬化性樹脂の昇温のバラツキを抑制する。【解決手段】第１誘導加熱コイル２２０は、軸支した中間生成品タンク１２をタンク長手方向に沿ってタンク軸周囲にて取り囲むよう配設され、そのコイル巻き軌跡は、繊維強化樹脂層２０の最外層の樹脂含浸カーボン繊維Ｗの配向とほぼ揃っている。第２誘導加熱コイル２２２は、中間生成品タンク１２の外周と対向するよう配設され、第１誘導加熱コイル２２０より強い磁束を発生する。共通する高周波電流生成電源２４０に並列に接続された第１誘導加熱コイル２２０と第２誘導加熱コイル２２２は、高周波電流の通電を受けて磁束を形成し、中間生成品タンク１２の繊維強化樹脂層２０における樹脂含浸カーボン繊維Ｗを導体として繊維強化樹脂層２０を誘導加熱する。【選択図】図５
2013064430.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
タンク容器となる中空のライナーの外周に熱硬化性樹脂を含浸して熱硬化した繊維強化樹脂層を有する高圧ガスタンクの製造に用いる装置であって、
熱硬化前の前記熱硬化性樹脂を含浸した繊維を前記ライナーの外周に巻回して前記繊維強化樹脂層を形成し、タンク中間生成品を得る繊維巻回手段と、
前記タンク中間生成品を軸支し、該軸支した前記タンク中間生成品をタンク軸回りに回転させつつ加熱して前記繊維強化樹脂層を熱硬化させる熱硬化手段とを備え、
前記熱硬化手段は、
前記回転する前記タンク中間生成品の全体を加熱する第１加熱手段と、
前記タンク中間生成品を高周波誘導加熱する誘導加熱コイルを前記タンク中間生成品の外周と対向して配設し、前記回転する前記タンク中間生成品を前記外周の側から前記誘導加熱コイルにより局所的に高周波誘導加熱する第２加熱手段とを備える
高圧ガスタンクの製造装置。
【請求項２】
請求項１に記載の高圧ガスタンクの製造装置であって、
前記第１加熱手段は、前記タンク中間生成品を高周波誘導加熱する誘導加熱コイルを、前記軸支した前記タンク中間生成品をタンク長手方向に沿って前記タンク軸周囲にて取り囲むタンク長手方向誘導加熱コイルとして備え、該タンク長手方向誘導加熱コイルにより、前記タンク中間生成品の全体を高周波誘導加熱し、
前記第２加熱手段は、前記タンク中間生成品の外周と対向して配設した前記誘導加熱コイルを、前記タンク長手方向誘導加熱コイルより強い磁束を形成する誘導加熱コイルとして備える
高圧ガスタンクの製造装置。
【請求項３】
前記第２加熱手段の前記誘導加熱コイルは、前記タンク長手方向誘導加熱コイルより短いコイル長と低い抵抗とを有する誘導加熱コイルとされている請求項２に記載の高圧ガスタンクの製造装置。
【請求項４】
前記第１加熱手段の前記タンク長手方向誘導加熱コイルと前記第２加熱手段の前記誘導加熱コイルとは、共通する高周波電流生成電源に並列に接続されている請求項２または請求項３に記載の高圧ガスタンクの製造装置。
【請求項５】
高圧ガスタンクの製造方法であって、
タンク容器となる中空のライナーの外周に、熱硬化性樹脂を含浸した繊維を巻回して形成された繊維強化樹脂層を有するタンク中間生成品を準備する工程（ａ）と、
前記タンク中間生成品を軸支し、該軸支した前記タンク中間生成品をタンク軸回りに回転させつつ加熱して前記繊維強化樹脂層を熱硬化させる工程（ｂ）とを備え、
前記工程（ｂ）では、
前記軸支した前記タンク中間生成品をタンク長手方向に沿って前記タンク軸周囲にて取り囲んで前記タンク中間生成品を高周波誘導加熱するタンク長手方向の誘導加熱コイルにより、前記回転する前記タンク中間生成品の全体を高周波誘導加熱しつつ、
前記タンク中間生成品の外周と対向して配設され前記タンク長手方向の誘導加熱コイルより強い磁束を形成する誘導加熱コイルにより、前記回転する前記タンク中間生成品を前記外周の側から局所的に高周波誘導加熱する
高圧ガスタンクの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高圧ガスタンクの製造に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年では、燃料ガスの燃焼エネルギや、燃料ガスの電気化学反応によって発電された電気エネルギによって駆動する車両が開発されており、高圧ガスタンクには、天然ガスや水素等の燃料ガスが貯蔵され、車両に搭載される場合がある。このため、高圧ガスタンクの軽量化が求められており、カーボン繊維強化プラスチックや、ガラス繊維強化プラスチック（以下、これらを総称して、繊維強化樹脂層と呼ぶ）で中空のライナーを被覆したＦＲＰ（Fiber Reinforced Plastics : 繊維強化プラスチック）製の高圧ガスタンク（以下、単に高圧ガスタンクと称する）の採用が進んでいる。ライナーとしては、軽量化の観点から、通常、ガスバリア性を有する樹脂製の中空容器が用いられる。
【０００３】
一般に、こうした高圧ガスタンクの製造に際しては、フィラメントワインディング法（以下、ＦＷ法）が採用され、このＦＷ法により、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂を含浸した繊維をライナーの外周に繰り返し巻回して繊維強化樹脂層とする。そして、その後に、当該樹脂層に含まれる熱硬化樹脂を熱硬化させることで、ライナーを繊維強化樹脂層で被覆・補強した高圧ガスタンクが製造される。
【０００４】
得られた高圧ガスタンクでは、硬化済みの繊維強化樹脂層の内部にクラックがないことが強度や耐久性の確保の上から望ましい。樹脂層の内部クラックは、熱硬化樹脂の昇温が樹脂層内部でばらつくために樹脂の硬化速度が不均一となって起きることが知られている。よって、近年では、クラックの発生防止と生産性の向上の観点から、熱硬化性樹脂の熱硬化のための加熱に際して、高周波誘導加熱を誘起する誘導加熱コイルを用いて誘導加熱する手法が提案されている（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平６−３３５９７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、繊維はライナー両端のドーム部と円筒状のシリンダー部との外周に繰り返し巻回されるが、この繊維巻回に際しては、ライナー軸芯に対して繊維がなす角度である繊維の配向を一律とするのではなく、この繊維の配向を変えたフープ巻きとヘリカル巻きとが通常使い分けられる。ヘリカル巻きは、ライナー軸芯に対して、例えば１０°〜６０°の角度（繊維配向）をつけて繊維を巻回する手法であり、この角度範囲の内の１０°〜３０°程度の低角度ヘリカル巻きと、それ以上の角度の高角度ヘリカル巻きとに区別される。フープ巻きは上記の角度を９０°に近似させて繊維を周方向に揃えて巻回する手法である。ここで言う角度は、ライナー１０のタンク軸芯に対してなす角度であって繊維の配向程度を表す。そして、タンク製造に際しては、フープ巻きとヘリカル巻きを、繊維強化樹脂層におけるライナー側の樹脂層とこれより外側の樹脂層とで使い分けることがなされている。
【０００７】
繊維強化樹脂層において上記したようにフープ巻きとヘリカル巻きを使い分けると、フープ巻きの樹脂層とヘリカル巻きの樹脂層とでは、繊維の配向が異なることになる。その一方、誘導加熱コイルに高周波電流を流すことにより発生する磁束の向きは、コイル巻き軌跡に依存して定まり不変であることから、フープ巻きの樹脂層とヘリカル巻きの樹脂層とでは、各樹脂層を巻回形成する繊維と誘導加熱コイルの生じた磁束の交差の様子が相違することになる。繊維強化樹脂層を巻回形成する繊維は、磁束との交差に基づいて誘起した渦電流と繊維固有の抵抗によって発熱するので、上記したように磁束との交差の様子が相違すると、発熱状況に差が生じ、繊維強化樹脂層において樹脂の昇温が不均一となることが危惧される。この場合、磁束の向きはコイル巻き軌跡に依存することから、繊維の配向とコイル巻き軌跡が揃うほど渦電流の流れる範囲が増して加熱が進みやすくなる。このため、コイル巻き軌跡と揃うような配向で繊維が巻回された樹脂層部位が、仮に繊維強化樹脂層の外表層側であると、この外表層側の樹脂層では加熱が進むことになる。その一方、外表層側より内側の樹脂層では、繊維強化樹脂層の外表層表面から離れるために渦電流自体が低下することと、繊維の配向とコイル巻き軌跡が揃わなくなることとによって、加熱が進まず、繊維強化樹脂層における樹脂の昇温のバラツキが顕在化する。上記した特許文献で提案された手法では、上記した繊維の配向に対しての配慮に欠けるため、繊維強化樹脂層における熱硬化性樹脂の昇温のバラツキの抑制を図る新たな手法が要請されるに到った。
【０００８】
本発明は、上記した課題を踏まえ、ライナー外周に形成した繊維強化樹脂層における熱硬化性樹脂の昇温のバラツキの抑制をもたらす新たなタンク製造手法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記した目的の少なくとも一部を達成するために、本発明は、以下の適用例として実施することができる。
【００１０】
[適用例１：高圧ガスタンクの製造装置]
タンク容器となる中空のライナーの外周に熱硬化性樹脂を含浸して熱硬化した繊維強化樹脂層を有する高圧ガスタンクの製造に用いる装置であって、
熱硬化前の前記熱硬化性樹脂を含浸した繊維を前記ライナーの外周に巻回して前記繊維強化樹脂層を形成し、タンク中間生成品を得る繊維巻回手段と、
前記タンク中間生成品を軸支し、該軸支した前記タンク中間生成品をタンク軸回りに回転させつつ加熱して前記繊維強化樹脂層を熱硬化させる熱硬化手段とを備え、
前記熱硬化手段は、
前記回転する前記タンク中間生成品の全体を加熱する第１加熱手段と、
前記タンク中間生成品を高周波誘導加熱する誘導加熱コイルを前記タンク中間生成品の外周と対向して配設し、前記回転する前記タンク中間生成品を前記外周の側から前記誘導加熱コイルにより局所的に高周波誘導加熱する第２加熱手段とを備える
ことを要旨とする。
【００１１】
この適用例１の高圧ガスタンクの製造装置では、ライナーの外周に巻回形成した繊維強化樹脂層の熱硬化を経て高圧ガスタンクを製造する当たり、回転するタンク中間生成品の全体を第１加熱手段にて加熱しつつ、第２加熱手段では、タンク中間生成品の外周と対向する誘導加熱コイルにより、タンク中間生成品をその外周の側から局所的に高周波誘導加熱する。このため、第１加熱手段だけでは、繊維強化樹脂層において他の樹脂層部位より昇温が進まない部位（以下、説明の便宜上、低昇温部位と称する）が生じたとしても、この低昇温部位を第２加熱手段の誘導加熱コイルにより局所的に高周波誘導加熱して昇温を高めることができる。よって、上記の適用例１の高圧ガスタンクの製造装置によれば、低昇温部位の昇温を高めることで、繊維強化樹脂層における熱硬化性樹脂の昇温のバラツキを抑制することが可能となる。換言すれば、上記した適用例１の高圧ガスタンクの製造装置は、ライナー外周に形成した繊維強化樹脂層における熱硬化性樹脂の昇温のバラツキを抑制可能な新たなタンク製造装置となる。
【００１２】
上記した適用例１の高圧ガスタンクの製造装置は、次のような態様とすることができる。例えば、第１加熱手段については、これを、前記タンク中間生成品を高周波誘導加熱する誘導加熱コイルを備えるものとした上で、当該誘導加熱コイルを、前記軸支した前記タンク中間生成品をタンク長手方向に沿って前記タンク軸周囲にて取り囲むタンク長手方向誘導加熱コイルとする。そして、このタンク長手方向誘導加熱コイルにより、前記タンク中間生成品の全体を高周波誘導加熱する。その一方、第２加熱手段については、その有する誘導加熱コイルを、前記タンク長手方向誘導加熱コイルより強い磁束を形成する誘導加熱コイルとする。こうすれば、第２加熱手段の誘導加熱コイルによる局所的な高周波誘導加熱は、繊維の配向がコイル巻き軌跡に揃う・揃わないを問わず、強い磁束により起きることになる。ライナーの外周に形成された繊維強化樹脂層の内周層は、繊維強化樹脂層の外表層表面から離れてタンク長手方向誘導加熱コイルでの誘導加熱の際の渦電流が低下するために昇温が往々にして進まないが、上記の態様によれば、昇温が進み難い内周層の昇温を強い磁束に基づいた高周波誘導加熱により高めるので、繊維強化樹脂層における熱硬化性樹脂の昇温のバラツキ抑制の実効性が高まる。この場合、タンク長手方向誘導加熱コイルについては、ライナーの外周に形成された繊維強化樹脂層の外表層側の樹脂層における繊維の配向が当該誘導加熱コイルのコイル巻き軌跡と揃うようにされていれば、この外表層側の樹脂層の熱硬化性樹脂を効率よく加熱昇温させる。
【００１３】
その一方、繊維強化樹脂層においてこの外表層側の樹脂層より内側の樹脂層では、当該樹脂層における繊維の配向がタンク長手方向誘導加熱コイルのコイル巻き軌跡と揃っていないと、繊維強化樹脂層の外表層表面から離れていることと相まって、タンク長手方向誘導加熱コイルによる誘導加熱は外表層側ほど進まない。ところが、上記の態様では、このように加熱が進まないことが有り得る内側の樹脂層については、タンク長手方向誘導加熱コイルより強い磁束を形成する誘導加熱コイルにて、その昇温を高める。つまり、タンク長手方向誘導加熱コイル以外の誘導加熱コイルは、軸支した前記タンク中間生成品の外周と対向するよう配設された上で、タンク長手方向誘導加熱コイルより強い磁束を形成するので、加熱が進まないことが有り得る内側の樹脂層での繊維の配向がコイル巻き軌跡と揃っていなくても、当該内側の樹脂層を誘導加熱して昇温を高める。この結果、上記の態様によれば、繊維強化樹脂層の外表層側の樹脂層における繊維の配向がタンク長手方向誘導加熱コイルのコイル巻き軌跡と揃い、外表層側の樹脂層より内側の樹脂層における繊維の配向がタンク長手方向誘導加熱コイルのコイル巻き軌跡と揃っていないとしても、このような繊維強化樹脂層での熱硬化性樹脂の昇温のバラツキを高い実効性で抑制できる。
【００１４】
また、第２加熱手段の誘導加熱コイルについては、これをタンク長手方向誘導加熱コイルより短いコイル長と低い抵抗とを有するものとできる。こうすれば、タンク長手方向誘導加熱コイルより強い磁束を形成する上で、簡便となる。
【００１５】
また、前記第１加熱手段の前記タンク長手方向誘導加熱コイルと前記第２加熱手段の前記誘導加熱コイルとを、共通する高周波電流生成電源に並列に接続するようにできる。こうすれば、第２加熱手段の誘導加熱コイルの形成する磁束を、高周波電流生成電源が共通でありながらタンク長手方向誘導加熱コイルより強くできるので、通電制御の簡略化や、低コスト化が可能となる。
【００１６】
[適用例２：高圧ガスタンクの製造方法]
高圧ガスタンクの製造方法であって、
タンク容器となる中空のライナーの外周に、熱硬化性樹脂を含浸した繊維を巻回して形成された繊維強化樹脂層を有するタンク中間生成品を準備する工程（ａ）と、
前記タンク中間生成品を軸支し、該軸支した前記タンク中間生成品をタンク軸回りに回転させつつ加熱して前記繊維強化樹脂層を熱硬化させる工程（ｂ）とを備え、
前記工程（ｂ）では、
前記軸支した前記タンク中間生成品をタンク長手方向に沿って前記タンク軸周囲にて取り囲んで前記タンク中間生成品を高周波誘導加熱するタンク長手方向の誘導加熱コイルにより、前記回転する前記タンク中間生成品の全体を高周波誘導加熱しつつ、
前記タンク中間生成品の外周と対向して配設され前記タンク長手方向の誘導加熱コイルより強い磁束を形成する誘導加熱コイルにより、前記回転する前記タンク中間生成品を前記外周の側から局所的に高周波誘導加熱する
ことを要旨とする。
【００１７】
上記した適用例２の高圧ガスタンクの製造方法によれば、ライナー外周に形成した繊維強化樹脂層における熱硬化性樹脂の昇温のバラツキが抑制された高圧ガスタンクを製造できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の一実施例としての高圧ガスタンクの製造工程を模式的に示す説明図である。
【図２】この製造工程に用いるＦＷ装置１００の構成を概略的に示す説明図である。
【図３】繊維強化樹脂層の形成の様子を模式的に示す説明図である。
【図４】得られた中間生成品タンク１２における繊維強化樹脂層２０の内外の樹脂層における樹脂含浸カーボン繊維Ｗの配向の様子を示す説明図である。
【図５】図１（ｃ）に示した熱硬化炉２００における誘導加熱コイルの配置構成を中間生成品タンク１２の側面側から概略的に示す説明図である。
【図６】図５を平面視して誘導加熱コイルの配置構成を概略的に示す説明図である。
【図７】誘導加熱コイルの配置構成を中間生成品タンク１２を断面視して概略的に示す説明図である。
【図８】本実施例の熱硬化炉２００と対比される既存の高周波誘導加熱炉におけるコイル構成を図５相当に概略的に示す説明図である。
【図９】本実施例の熱硬化炉２００と既存の高周波誘導加熱炉とにおける繊維強化樹脂層２０の内外の樹脂層ごとの昇温の様子を対比して示す説明図である。
【図１０】図５相当に変形例の熱硬化炉２００における誘導加熱コイルの配置構成を中間生成品タンク１２の側面側から概略的に示す説明図である。
【図１１】図６相当に誘導加熱コイルの配置構成を平面視して概略的に示す説明図である。
【図１２】図７相当に誘導加熱コイルの配置構成を中間生成品タンク１２を断面視して概略的に示す説明図である。
【図１３】第２誘導加熱コイル２２３を有する変形例の熱硬化炉２００による繊維強化樹脂層２０の昇温の様子を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態について、その実施例を図面に基づき説明する。図１は本発明の一実施例としての高圧ガスタンクの製造工程を模式的に示す説明図、図２はこの製造工程に用いるＦＷ装置１００の構成を概略的に示す説明図、図３は繊維強化樹脂層の形成の様子を模式的に示す説明図である。本実施例では、高圧ガスタンクを、高圧水素を貯蔵する高圧水素タンクとした。
【００２０】
本実施例のタンク製造工程では、まず、図１（ａ）に示したように、水素ガスに対するガスバリア性を有する樹脂製容器をライナー１０として用意する。ライナー１０は、半径が均一である略円筒形状のシリンダー部１０ａと、シリンダー部両端に設けられた凸曲面形状のドーム部１０ｂを有する。ドーム部１０ｂは、等張力曲面によって構成されており、その頂点に、外部配管等と接続するための口金１４を有する。本実施例では、樹脂容器として、ナイロン系樹脂からなる樹脂製容器を用いるものとした。樹脂容器として、水素ガスに対するガスバリア性を有すれば、他の樹脂からなる樹脂容器を用いるものとしてもよい。
【００２１】
次に、図１（ｂ）に示したように、ライナー１０の外周に繊維強化樹脂層２０を形成する（繊維強化樹脂層形成工程）。本実施例では、繊維強化樹脂層形成工程として、図２に示すＦＷ装置１００を用いる。このＦＷ装置１００は、ライナー１０の外周に、熱硬化性樹脂としてのエポキシ樹脂を含浸したカーボン繊維を繰り返し巻回することにより、繊維強化樹脂層２０としてのカーボン繊維層を形成する。これにより、ライナー１０の外周に樹脂硬化前の繊維強化樹脂層２０を有する中間生成品タンク１２が得られる。ＦＷ装置１００の構成と当該装置による繊維巻回の様子については、後述する。
【００２２】
繊維強化樹脂層２０の形成に続いては、熱硬化を行う。熱硬化工程では、図１（ｃ）に示す熱硬化炉２００を用いる。この熱硬化炉２００は、高周波誘導加熱炉として構成され、図示しない架台に、タンク両端のタンク軸支シャフト２１２を介して中間生成品タンク１２を回転可能に軸支し、図示しないモーターにて中間生成品タンク１２を加熱の過程において回転させる。この他、熱硬化炉２００は、第１誘導加熱コイル２２０と、第２誘導加熱コイル２２２とを有する。第１誘導加熱コイル２２０は、軸支した中間生成品タンク１２をタンク長手方向に沿ってタンク軸周囲にて取り囲むよう配設され、そのコイル巻き軌跡は、タンク軸に対して１５°程傾いている。なお、このコイル巻き軌跡の傾斜程度は、タンク形状、詳しくは軸方向のタンク寸法等に応じて変わるようにすることができる。第２誘導加熱コイル２２２は、本実施例では、５個用意され、軸支した中間生成品タンク１２の外周と対向するよう配設されている。これら第１、第２の誘導加熱コイルは、高周波電流の通電を受けて磁束を形成し、中間生成品タンク１２の繊維強化樹脂層２０におけるカーボン繊維（樹脂含浸カーボン繊維Ｗ）を導体として繊維強化樹脂層２０を誘導加熱する。
【００２３】
図１（ｃ）に示す上記の熱硬化炉２００を用いた熱硬化工程では、熱硬化炉２００への中間生成品タンク１２の搬入に先だち、繊維強化樹脂層２０を形成済みの中間生成品タンク１２にタンク軸支シャフト２１２を装着する。タンク軸支シャフト２１２は、中間生成品タンク１２の両端の口金１４に挿入され、タンク両端からシャフトを出した状態で、中間生成品タンク１２を水平に軸支する。こうして中間生成品タンク１２を軸支した後、熱硬化炉２００は、中間生成品タンク１２を熱硬化工程に処する。この熱硬化工程では、中間生成品タンク１２をタンク軸支シャフト２１２ごと定速で回転させ、その回転を熱硬化工程の間に亘って維持する。タンク回転と同時に、或いは、定速回転となると、熱硬化炉２００は、繊維強化樹脂層２０の形成に用いた上記の熱硬化樹脂（例えば、エポキシ樹脂）の熱硬化が起きるよう、制御機器２３０にて第１誘導加熱コイル２２０と第２誘導加熱コイル２２２とに高周波電流を通電して繊維強化樹脂層２０を誘導加熱する。これにより、中間生成品タンク１２では、ライナー１０の外周に形成された繊維強化樹脂層２０における熱硬化樹脂の熱硬化が起きる。上記両コイルの特性と両コイルによる誘導加熱の様子については後述する。
【００２４】
熱硬化炉２００による上記した樹脂の熱硬化後には、加熱を受けた中間生成品タンク１２は、冷却養生に処される。そして、この冷却養生を経ることで、ライナー１０の外周にエポキシ樹脂を含浸して熱硬化した繊維強化樹脂層２０を有する高圧水素タンク３０が得られる。
【００２５】
ここで、ＦＷ装置１００による繊維強化樹脂層２０の形成の様子（図１（ｂ））と、その後の熱硬化炉２００による繊維強化樹脂層２０の熱硬化（図１（ｃ））について順を追って説明する。図２に示すように、本実施例のＦＷ装置１００は、クリールスタンド１１０と、巻取部１３０と、クリールスタンド１１０と巻取部１３０とを結ぶ経路部１２０と、制御部１５０とを備える。
【００２６】
クリールスタンド１１０は、熱硬化樹脂としてのエポキシ樹脂を含浸済みのカーボン繊維（以下、樹脂含浸カーボン繊維Ｗと称する）を巻きつけた複数のボビン１１２を備え、固定滑車１１４等を用いて各ボビン１１２から所定の方向に樹脂含浸カーボン繊維Ｗを繰り出す機能を有する。本実施例では、熱硬化性樹脂を含浸済みのいわゆるプリプレグの樹脂含浸カーボン繊維Ｗとしたが、ボビン１１２にはカーボン繊維のみを巻き取って備え、クリールスタンド１１０からの繊維繰り出し経路途中で、その繰り出されるカーボン繊維に熱硬化性樹脂を含浸させるようにすることもできる。なお、カーボン繊維に代えて、適当な強度と導電性を有するフィラメントワインディングに適した他の材料の繊維とすることもできる。また、エポキシ樹脂に代えて、熱硬化により適当な接合強度を有するフィラメントワインディングに適した熱硬化性樹脂、例えばポリエステル樹脂やポリアミド樹脂等の熱硬化性樹脂とすることもできる。
【００２７】
各ボビン１１２からは、巻取部１３０の働きにより樹脂含浸カーボン繊維Ｗがそれぞれ引き出され、各樹脂含浸カーボン繊維Ｗは経路部１２０を介して巻取部１３０へ導かれる。
【００２８】
経路部１２０は、ローラーやガイド等を備え、クリールスタンド１１０から巻取部１３０への樹脂含浸カーボン繊維Ｗへの経路を構成する。
【００２９】
巻取部１３０は、アイクチガイド１３２と、ライナー１０がセットされる回転駆動装置１３４とを備える。回転駆動装置１３４は、ライナー１０を軸支してそのタンク軸周りにライナー１０を回転駆動させる。
【００３０】
アイクチガイド１３２は、ライナー１０の外周に樹脂含浸カーボン繊維Ｗを供給しつつ、ライナー１０に樹脂含浸カーボン繊維Ｗが巻回される際の巻回張力を調整する。また、樹脂含浸カーボン繊維Ｗのフープ巻きとヘリカル巻きの使い分けにも関与する。つまり、アイクチガイド１３２は、ライナー１０の長軸方向であるｘ軸、ｘ軸に垂直なｙ軸、ｘ軸およびｙ軸に垂直なｚ軸の３次元で移動して、経路部１２０から供給された複数本の樹脂含浸カーボン繊維Ｗを束ねてライナー１０に向かって供給する。制御部１５０による制御を経たアイクチガイド１３２の３次元方向への移動と回転駆動装置１３４によるライナー１０の回転とにより、樹脂含浸カーボン繊維Ｗは、ライナー１０の外周に繰り返し巻回されることになる。詳細には、図３に示すように、フープ巻きとヘリカル巻きとが使い分けられて、樹脂含浸カーボン繊維Ｗは、ライナー両端のドーム部１０ｂと円筒状のシリンダー部１０ａとの外周に繰り返し巻回される。図示するように、まず、ライナー１０の略円筒状のシリンダー部１０ａの領域をフープ巻きにて樹脂含浸カーボン繊維Ｗを巻回し、その後に、シリンダー部両端のドーム部１０ｂに掛け渡るよう、その折り返し位置に応じた角度のヘリカル巻きにて樹脂含浸カーボン繊維Ｗを巻回する。
【００３１】
図３（Ａ）に示すように、シリンダー部１０ａにおいては、フープ巻きをシリンダー部両端で折り返しつつ繰り返すことで、繊維強化樹脂層２０のライナー外周側の内側樹脂層を形成する。つまり、ライナー１０をタンク中心軸ＡＸの回りで回転させつつ、樹脂含浸カーボン繊維Ｗの供給元であるアイクチガイド１３２をタンク中心軸ＡＸに沿って所定速度で往復動させることで、繊維強化樹脂層２０における内側樹脂層が樹脂含浸カーボン繊維Ｗにて巻回形成される。このフープ巻きでは、アイクチガイド１３２からの樹脂含浸カーボン繊維Ｗが、シリンダー部１０ａのタンク中心軸ＡＸに対してほぼ垂直に近い巻き角度（繊維角α０：例えば約８９°）をなすようにされる。そして、ライナー回転速度とアイクチガイド１３２の往復動速度を調整した上で、タンク中心軸ＡＸ方向に沿ってアイクチガイド１３２を往復移動させて、樹脂含浸カーボン繊維Ｗをシリンダー部１０ａに繰り返し巻回する。
【００３２】
こうしたフープ巻きに続き、図３（Ｂ）に示す低角度のヘリカル巻きにて樹脂含浸カーボン繊維Ｗを巻回する。低角度のヘリカル巻きでは、ドーム部１０ｂの湾曲外表面領域とフープ巻き済みのシリンダー部１０ａを繊維巻回対象とし、ライナー１０をタンク中心軸ＡＸの回りで回転させつつ、アイクチガイド１３２から延びた樹脂含浸カーボン繊維Ｗをタンク中心軸ＡＸに対して低角度の繊維角αＬＨ（例えば、約１１〜２５°）で交差させた状態を保持し、ライナー回転速度とアイクチガイド１３２の往復動速度を調整する。その上で、タンク中心軸ＡＸ方向に沿ってアイクチガイド１３２を往復移動させて、樹脂含浸カーボン繊維Ｗをシリンダー部１０ａの両端のドーム部１０ｂに掛け渡るよう螺旋状に繰り返し巻回する。この場合、両側のドーム部１０ｂでは、アイクチガイド１３２の往路・復路の切換に伴って繊維の巻き付け方向が折り返されると共に、タンク中心軸ＡＸからの折り返し位置も調整される。ドーム部１０ｂにおける巻き付け方向の折り返しを何度も繰り返すことにより、ライナー１０の外表面には、低角度の繊維角αＬＨで樹脂含浸カーボン繊維Ｗが網目状に張り渡された繊維巻回層が形成され、この層が繊維強化樹脂層２０における外表面側の最外層側樹脂層となる。なお、上記した低角度のヘリカル巻きを行う前に、タンク中心軸ＡＸに対して高角度の繊維角（例えば、約３０〜６０°）で樹脂含浸カーボン繊維Ｗを巻回する高角度のヘリカル巻きを組み込むこともできる。上記したフープ巻きおよびヘリカル巻きにおいて、制御部１５０は、ライナー１０の回転速度制御やアイクチガイド１３２での巻回張力調整等を行うが、本発明の要旨と直接関係しないので、その説明については省略する。
【００３３】
こうして樹脂含浸カーボン繊維Ｗのフープ巻きおよびヘリカル巻きが使い分けてなされることで、樹脂含浸カーボン繊維Ｗがライナー１０の外周に層状に重なった繊維強化樹脂層２０が形成される。そして、樹脂含浸カーボン繊維ＷのＦＷ法による巻回を経て、ライナー１０の外周に繊維強化樹脂層２０を形成した中間生成品タンク１２が得られる（図１（ｂ）参照）。図４は得られた中間生成品タンク１２における繊維強化樹脂層２０の内外の樹脂層における樹脂含浸カーボン繊維Ｗの配向の様子を示す説明図である。
【００３４】
図示するように、ライナー１０の外表面に形成された繊維強化樹脂層２０は、ライナー１０の外周側から、最内層の樹脂層と中間層の樹脂層と最外層の樹脂層に区分でき、最内層の樹脂層は、図３（Ａ）に示したフープ巻きによる繊維巻回層となり、繊維の配向は既述した約８９°となる。中間層は、フープ巻きから低角度のヘリカル巻きに推移する層であり、繊維の配向は８９°から既述した約１１〜２５°に切り替わる。最外層の樹脂層は、図３（Ｂ）に示した低角度のヘリカル巻きによる繊維巻回層となり、繊維の配向は既述した約１１〜２５°となる。そして、ライナー１０の外周側のフープ巻きの樹脂層に低角度のヘリカル巻きの樹脂層を積層した繊維強化樹脂層２０とすることで、最終製品たる高圧水素タンク３０のタンク強度を高めることができる。
【００３５】
図４では、タンク中心軸ＡＸを含んでタンクを長手方向に断面視していることから、繊維の配向が約８９°の最内層〜中間層では、樹脂含浸カーボン繊維Ｗは繊維と交差するよう切断したほぼ円形に断面視される。その一方、繊維の配向が約１１〜２５°の中間層〜最外層では、樹脂含浸カーボン繊維Ｗは繊維長手方向に沿って切断した矩形状に断面視される。
【００３６】
次に、図４で示したような樹脂層構成の繊維強化樹脂層２０の熱硬化炉２００による熱硬化について説明する。図５は図１（ｃ）に示した熱硬化炉２００における誘導加熱コイルの配置構成を中間生成品タンク１２の側面側から概略的に示す説明図、図６は図５を平面視して誘導加熱コイルの配置構成を概略的に示す説明図、図７は誘導加熱コイルの配置構成を中間生成品タンク１２を断面視して概略的に示す説明図、図８は本実施例の熱硬化炉２００と対比される既存の高周波誘導加熱炉におけるコイル構成を図５相当に概略的に示す説明図である。
【００３７】
図５〜図７に示すように、本実施例の熱硬化炉２００では、第１誘導加熱コイル２２０を既述したように中間生成品タンク１２をタンク長手方向に沿ってタンク軸周囲にて取り囲むに当たり、繊維強化樹脂層２０の外表面からの距離がシリンダー部１０ａとドーム部１０ｂにおいてほぼ同じとなるよう巻かれている。この際、第１誘導加熱コイル２２０は、中間生成品タンク１２を軸支するタンク軸支シャフト２１２（図１参照）と干渉しないようにされている。そして、タンク軸に対して１５°程の第１誘導加熱コイル２２０のコイル巻き軌跡は、図７において中間生成品タンク１２の両側で第１誘導加熱コイル２２０が上下にずれて傾斜していることで示されている。
【００３８】
中間生成品タンク１２の外周と対向するよう配設された第２誘導加熱コイル２２２は、図６に示すように、タンク平面視の状態で上下にオフセットされて点在する。このように点在するそれぞれの第２誘導加熱コイル２２２は、図７に示すように、繊維強化樹脂層２０の外表面からの距離がほぼ同じとなるよう、タンク周りに配設されている。そして、第１誘導加熱コイル２２０とそれぞれの第２誘導加熱コイル２２２とは、共通する高周波電流生成電源２４０に並列に接続されている。その上で、それぞれの第２誘導加熱コイル２２２は、第１誘導加熱コイル２２０より短いコイル長とされた上で、その断面積にあっても、第１誘導加熱コイル２２０より小さくされている。このため、それぞれの第２誘導加熱コイル２２２は、第１誘導加熱コイル２２０より低い抵抗を有することになるので、高周波電流生成電源２４０からの高周波電流の通電を受けると、第１誘導加熱コイル２２０より強い磁束を生成する。こうしたコイル構成を有する熱硬化炉２００は、炉内への中間生成品タンク１２のセット後のタンク定速回転に合わせて、制御機器２３０にて第１誘導加熱コイル２２０と第２誘導加熱コイル２２２とに高周波電流を通電する。
【００３９】
こうして通電を受けた第１誘導加熱コイル２２０は、水平に軸支されてタンク軸回りに回転する中間生成品タンク１２を図７に点線で示すように上下に貫く磁束を発生する。繊維強化樹脂層２０を構成する樹脂含浸カーボン繊維Ｗは、この第１誘導加熱コイル２２０による磁束と交差することから渦電流を誘起し、カーボン繊維固有の抵抗によって発熱して、繊維強化樹脂層２０の熱硬化性樹脂を高周波誘導加熱する。中間生成品タンク１２の外周に対向する第２誘導加熱コイル２２２のそれぞれにあっても、高周波電流の通電を受けて磁束を発生し、この生成された磁束は、図７に点線で示すように繊維強化樹脂層２０を貫くことになる。このため、繊維強化樹脂層２０を構成する樹脂含浸カーボン繊維Ｗは、この第２誘導加熱コイル２２２による磁束と交差することから渦電流を誘起し、カーボン繊維固有の抵抗によって発熱して、繊維強化樹脂層２０の熱硬化性樹脂を高周波誘導加熱する。これに対し、図８に示す既存の高周波誘導加熱炉では、繊維強化樹脂層２０を構成する樹脂含浸カーボン繊維Ｗが第１誘導加熱コイル２２０による磁束と交差することによる繊維強化樹脂層２０の熱硬化性樹脂の高周波誘導加熱しか起こさない。以下、本実施例の熱硬化炉２００による樹脂加熱の様子と図８の既存の高周波誘導加熱炉による樹脂加熱の様子とを、図４で示した繊維配向との関係を含めて説明する。図９は本実施例の熱硬化炉２００と既存の高周波誘導加熱炉とにおける繊維強化樹脂層２０の内外の樹脂層ごとの昇温の様子を対比して示す説明図である。
【００４０】
まず、図８のコイル構成の既存の高周波誘導加熱炉にて繊維強化樹脂層２０を高周波誘導加熱させることを想定し、繊維強化樹脂層２０の最内層、最外層、その間の中間層の各層に熱電対を埋め込んだ。そして、この状態で、第１誘導加熱コイル２２０に高周波電流を通電して、既述したように繊維強化樹脂層２０を高周波誘導加熱する。この高周波誘導加熱の経過時間ごとに最内層、最外層、および中間層の熱電対出力をプロットして、図９の左側に示したグラフを得た。このグラフに見られる温度挙動は、次のように説明できる。
【００４１】
図８の第１誘導加熱コイル２２０による高周波誘導加熱は、繊維強化樹脂層２０の上記最内層、中間層および最外層の各層で進むものの、各層での誘導加熱の状況は次のように相違する。繊維強化樹脂層２０の最外層は、第１誘導加熱コイル２２０に最も近くて第１誘導加熱コイル２２０の発生した磁束の影響を受けやすく生じる渦電流も大きいことから、第１誘導加熱コイル２２０による高周波誘導加熱が最も進む。そして、第１誘導加熱コイル２２０から離れる中間層、最内層は、磁束の影響が受け難くなって生じる渦電流も小さくなるので、最外層ほど加熱は進まない。その一方、繊維強化樹脂層２０の最外層では、樹脂含浸カーボン繊維Ｗは、低角度のヘリカル巻きの配向となっている故に、中間生成品タンク１２をタンク長手方向に沿ってタンク軸周囲にて取り囲む第１誘導加熱コイル２２０のコイル巻き軌跡と揃うことになる。よって、渦電流の流れる範囲が増して第１誘導加熱コイル２２０による高周波誘導加熱がより進むことになる。つまり、繊維強化樹脂層２０の最外層は、第１誘導加熱コイル２２０による高周波誘導加熱が繊維配向の観点からも活発となる。
【００４２】
繊維強化樹脂層２０の中間層は、当該層部位での高周波誘導加熱に加えて最外層からの熱伝播を受ける。その一方、最外層ではその層表面からの放熱が起きるので、グラフに見られるように、中間層の温度は最外層より高くなる。こうしたことを考慮して、中間層の温度が制御上限温度となるよう、第１誘導加熱コイル２２０への高周波電流が通電制御される。この場合の制御上限温度は、ライナー１０の源材料樹脂および繊維強化樹脂層２０の形成のための熱硬化性樹脂の溶解温度や、樹脂含浸カーボン繊維Ｗの繊維表面に付着された薬剤、具体的には繊維と樹脂の馴染みを向上させる薬剤の耐性温度等から定まる。そして、中間層の温度が制御上限温度となるよう第１誘導加熱コイル２２０への高周波電流の通電制御を行って、繊維強化樹脂層２０を高周波誘導加熱すると、図９の左側に示したグラフのように、最内層の温度は最外層および中間層より大きく低下する。
【００４３】
繊維強化樹脂層２０の最内層は、第１誘導加熱コイル２２０からの隔たりが大きいために第１誘導加熱コイル２２０による高周波誘導加熱が最外層や中間層ほど進まない。これに加え、この最内層での樹脂含浸カーボン繊維Ｗの配向は、フープ巻きの配向なために既述した第１誘導加熱コイル２２０のコイル巻き軌跡と揃わない。このため、繊維強化樹脂層２０の最内層は、第１誘導加熱コイル２２０による高周波誘導加熱が繊維配向の観点からも進まないことになる。上記した繊維強化樹脂層２０の各層での加熱状況の相違から、図８に示したコイル構成の熱硬化炉での高周波誘導加熱では、繊維強化樹脂層２０の最外層、中間層および最内層での樹脂の昇温が図９の左側に示したグラフのようにばらつくことになる。この場合、繊維強化樹脂層２０の最内層を低角度のヘリカル巻きした樹脂含浸カーボン繊維Ｗで形成すれば、最内層でも、樹脂含浸カーボン繊維Ｗの配向が第１誘導加熱コイル２２０のコイル巻き軌跡と揃うことから、第１誘導加熱コイル２２０による高周波誘導加熱を繊維配向の観点からも高めることは可能である。ところが、繊維強化樹脂層２０の最内層についても低角度のヘリカル巻きとすれば、繊維強化樹脂層２０はその全てが低角度のヘリカル巻きの樹脂含浸カーボン繊維Ｗで巻回形成されるので、タンク強度の確保の上から現実的ではない。よって、図４に示したように、繊維強化樹脂層２０の最内層をフープ巻きとし、最外層を低角度のヘリカル巻きとしてタンク強度を確保した上で、繊維強化樹脂層２０の最外層、中間層および最内層での樹脂の昇温のバラツキを抑制する必要があり、本実施例では、次のようになる。
【００４４】
本実施例の熱硬化炉２００は、図５〜図７に示すように、第１誘導加熱コイル２２０に加え、中間生成品タンク１２の外周に対向配設した第２誘導加熱コイル２２２によっても、繊維強化樹脂層２０の最外層、中間層および最内層において高周波誘導加熱を起こす。しかも、それぞれの第２誘導加熱コイル２２２は、第１誘導加熱コイル２２０より既述したように低抵抗であって第１誘導加熱コイル２２０より強い磁束を生成する。このため、上記したように加熱が進まない繊維強化樹脂層２０の最内層にあっても、図７に点線で示す当該層を貫く強い磁束と交差することから、第１誘導加熱コイル２２０による誘導加熱の場合より多くの渦電流を誘起して高周波誘導加熱される。つまり、第２誘導加熱コイル２２２は、強い磁束を発生するが故に、第１誘導加熱コイル２２０による高周波誘導加熱が進まない繊維強化樹脂層２０の最内層での繊維配向がコイル巻き軌跡と揃っていなくても、この最内層を誘導加熱して昇温を高める。この結果、本実施例の熱硬化炉２００によれば、延いては、この熱硬化炉２００を用いて中間生成品タンク１２から高圧水素タンク３０を製造する手法によれば、繊維強化樹脂層２０の最外層、中間層および最内層での樹脂の昇温のバラツキを図９の右側に示したグラフのように抑制できる。そして、繊維強化樹脂層２０の熱硬化の際の樹脂の昇温バラツキが抑制されることから、得られた高圧水素タンク３０にあっては、硬化済みの繊維強化樹脂層２０の内部でのクラックの発生を抑制して、高いタンク強度や耐久性を有するタンクとなる。この場合、図９の右側のグラフにあっても、既述したように熱電対を埋め込んで測定した結果である。
【００４５】
また、本実施例の熱硬化炉２００では、第２誘導加熱コイル２２２を第１誘導加熱コイル２２０より低抵抗とした上で、第１誘導加熱コイル２２０と並列に高周波電流生成電源２４０に接続したに過ぎない。従って、第２誘導加熱コイル２２２の形成する磁束を、高周波電流生成電源２４０が共通でありながら第１誘導加熱コイル２２０より強くできるので、通電制御の簡略化や、低コスト化を図ることができる。
【００４６】
次に、熱硬化炉２００の変形例について説明する。図１０は図５相当に変形例の熱硬化炉２００における誘導加熱コイルの配置構成を中間生成品タンク１２の側面側から概略的に示す説明図、図１１は図６相当に誘導加熱コイルの配置構成を平面視して概略的に示す説明図、図１２は図７相当に誘導加熱コイルの配置構成を中間生成品タンク１２を断面視して概略的に示す説明図、図１３は第２誘導加熱コイル２２３を有する変形例の熱硬化炉２００による繊維強化樹脂層２０の昇温の様子を示す説明図である。
【００４７】
この変形例では、一つの第２誘導加熱コイル２２３を、軸支した中間生成品タンク１２の外周と対向するよう配設して備える。第２誘導加熱コイル２２３は、図１２に示すように、いわゆる笠状にコイル巻きされたコイル軌跡を備え、先に説明した第２誘導加熱コイル２２２と同様、共通する高周波電流生成電源２４０に第１誘導加熱コイル２２０と並列に接続されている。その上で、第２誘導加熱コイル２２３にあっても、第１誘導加熱コイル２２０より短いコイル長とされた上で、その断面積は第１誘導加熱コイル２２０より小さくされている。このため、第２誘導加熱コイル２２３は、第１誘導加熱コイル２２０より低い抵抗を有することになるので、高周波電流生成電源２４０からの高周波電流の通電を受けると、第１誘導加熱コイル２２０より強い磁束を生成する。従って、この変形例によっても、第１誘導加熱コイル２２０による高周波誘導加熱が進まない繊維強化樹脂層２０の最内層での繊維配向がコイル巻き軌跡と揃っていなくても、この最内層を誘導加熱してその昇温を高め、繊維強化樹脂層２０の最外層、中間層および最内層での樹脂の昇温のバラツキを図１３に示したグラフのように抑制できる。この場合、得られた高圧水素タンク３０にあっても、クラックの発生の抑制により高いタンク強度や耐久性とできる。また、この変形例では、第１誘導加熱コイル２２０の外に一つの第２誘導加熱コイル２２３を有するに過ぎないので、コイル冷却のための構成が簡略化でき、省スペース化や低コスト化を図ることができる。
【００４８】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、上記の実施例では、高圧ガスタンクは、高圧水素タンク３０であるものとしたが、本発明は、これに限られない。例えば、天然ガス等、他の高圧ガスを貯蔵する高圧ガスタンクとしてもよい。
【００４９】
また、第２誘導加熱コイル２２２或いは第２誘導加熱コイル２２３を第１誘導加熱コイル２２０と並列に高周波電流生成電源２４０に接続したが、第１誘導加熱コイル２２０とは別の電源を設けて当該電源に第２誘導加熱コイル２２２や第２誘導加熱コイル２２３を接続するようにすることもできる。
【００５０】
また、繊維強化樹脂層２０については、その最内層をフープ巻きで形成し、最外層については低角度のヘリカル巻きで形成するよう層ごとに区別したが、これに限らない。例えば、フープ巻きによる層と低角度のヘリカル巻きによる層とを、交互に繰り返すようにした繊維強化樹脂層２０であっても、最外層もしくはその近傍に低角度ヘリカル巻きによる繊維配向が第１誘導加熱コイル２２０のコイル巻き軌跡と揃う樹脂層が形成され、その下層側にフープ巻きに夜繊維配向の層が位置するので、第２誘導加熱コイル２２２或いは第２誘導加熱コイル２２３による強い磁束での高周波誘導加熱により、樹脂の昇温バラツキを抑制できる。
【符号の説明】
【００５１】
１０…ライナー
１０ａ…シリンダー部
１０ｂ…ドーム部
１２…中間生成品タンク
１４…口金
２０…繊維強化樹脂層
３０…高圧水素タンク
１００…ＦＷ装置
１１０…クリールスタンド
１１２…ボビン
１１４…固定滑車
１２０…経路部
１３０…巻取部
１３２…アイクチガイド
１３４…回転駆動装置
１５０…制御部
２００…熱硬化炉
２１２…タンク軸支シャフト
２２０…第１誘導加熱コイル
２２２…第２誘導加熱コイル
２２３…第２誘導加熱コイル
２３０…制御機器
２４０…高周波電流生成電源
Ｗ…樹脂含浸カーボン繊維
ＡＸ…タンク中心軸
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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